趙步青，徐利建，胡會(huì)峰，朱昌宏，蔣榮坤

1.安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司 安徽馬鞍山 243131

2.金華東山機(jī)械廠 浙江金華 321000

3.江蘇晶工工具有限公司 江蘇丹陽(yáng) 212312

1 序言

高速鋼是高速工具鋼的簡(jiǎn)稱，在我國(guó)冶金行業(yè)簡(jiǎn)稱“高工鋼”，民間俗稱“鋒鋼”，因?yàn)樵诳諝庵写慊鹉苓_(dá)到63HRC以上的高硬度，所以也有人稱之為“風(fēng)鋼”。它雖然產(chǎn)量不大，但對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著舉足輕重的作用?？v觀當(dāng)今世界上所有的鋼種，無(wú)論其化學(xué)成分、組織、性能之間的復(fù)雜關(guān)系，還是冶煉、澆注、鍛造、軋制、拉拔、塑性成形和熱處理整個(gè)過(guò)程的難度，高速鋼無(wú)疑是最難的鋼種之一。有人說(shuō)“高速鋼奧妙無(wú)窮”，也有人說(shuō)“高速鋼變化莫測(cè)”。為了解決上述問(wèn)題，傳統(tǒng)的做法是進(jìn)行一系列的工藝試驗(yàn)，計(jì)算或測(cè)定鋼的臨界點(diǎn)、適合不同產(chǎn)品的淬火溫度，但在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)不可能快速制定合理的熱處理工藝。為此，我們熱處理工作者經(jīng)過(guò)數(shù)年不懈地努力，通過(guò)科學(xué)試驗(yàn)總結(jié)出有價(jià)值的定量化的經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)學(xué)模型，為今后熱處理工藝的定量化、程序化和數(shù)字化提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和重要依據(jù)。以下匯集了高速鋼熱處理公式，實(shí)用性、可操作性強(qiáng)。

2 熱處理公式

2.1 高速鋼碳飽和度公式

碳是高速鋼中最重要的元素，碳含量的多少將直接影響鋼的性能，其合適的含量，應(yīng)根據(jù)碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等含量來(lái)確定。從鋼號(hào)標(biāo)準(zhǔn)可知，HSS鋼C含量較低，HSS-E鋼C含量較高，接近于“平衡碳”。所謂的“平衡碳”是指鋼中所有的碳化物形成元素按碳化物定比關(guān)系達(dá)到平衡的碳量，此時(shí)可產(chǎn)生最大的二次硬化效果。

通?？砂词剑?）進(jìn)行近似地計(jì)算[1]，即

式中CS——理論上計(jì)算所得的平衡碳；W、Mo、Cr、V——分別表示各元素的實(shí)際質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）。平衡碳又稱定比碳。

平衡碳（CS）與實(shí)際含碳量（C實(shí)）之差為平衡碳差值（△C），即

C實(shí)與CS的比值叫碳飽和度，常用“A”來(lái)表示[2]，即

由于A值高低對(duì)鋼的性能會(huì)產(chǎn)生很大影響，所以鋼廠、工具廠都十分關(guān)注。對(duì)其反應(yīng)最敏感的是硬度，A值高則硬度高，A值低則硬度也低，這就是為什么成分雖然均符合國(guó)標(biāo)，但A值低，會(huì)造成硬度達(dá)不到64HRC的真正原因。M2鋼的A值與淬火、回火后的硬度關(guān)系見(jiàn)式（4），即

2.2 高速鋼的熱處理參量

由于熱處理的一切變化，都是在溫度的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間才完成的，所以熱處理工藝曲線往往是以溫度-時(shí)間形式來(lái)表達(dá)。鋼在加熱時(shí)，淬火加熱溫度和保溫時(shí)間都很重要，只是溫度的作用更大一些，但絲毫不能小視時(shí)間的作用，兩者的作用應(yīng)綜合考慮，可以用淬火參量公式來(lái)表達(dá)。高速鋼的淬火參量表達(dá)式為

式中Pc——淬火參量；

tc——淬火加熱溫度（℃）；

τc——淬火加熱時(shí)間（s）。

式（5）中，Pc代表了加熱溫度和加熱時(shí)間的綜合作用。在淬火過(guò)程中，無(wú)論加熱溫度和加熱時(shí)間怎么變化，只要兩者最終作用結(jié)果的淬火參量相同，那么奧氏體化的程度也應(yīng)該相同，由此派生出快速加熱和半快速加熱的新理念。

高速鋼的回火也有一個(gè)回火參量公式，其表達(dá)式為

式中Ph——回火參量；

th——回火溫度（℃）；

τh——回火時(shí)間（s）。

盡管回火溫度、時(shí)間有所不同，但只要回火參量相同，回火后的效果就相當(dāng)。由此派生出高溫快速回火的新工藝。

2.3 高速鋼淬火加熱時(shí)間

高速鋼在鹽浴爐中的高溫加熱時(shí)間應(yīng)易名為浸液時(shí)間，簡(jiǎn)化為式（7），即

式中t——加熱時(shí)間（min或s）；

α——加熱系數(shù)（min/mm或s/mm）；

D——工件的有效厚度或直徑（mm）；

K——工件裝爐修正系數(shù)，通常取K＝1.0。

加熱系數(shù)一般取8～15s/mm，可根據(jù)工件有效厚度的不同來(lái)選取，見(jiàn)表1。

表1 加熱系數(shù)的選擇

2.4 高速鋼模具熱處理

隨著機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展，高速鋼大量進(jìn)入模具行業(yè)，尤其以中小模具為最常見(jiàn)。高速鋼用于制作模具時(shí)，其淬火加熱溫度比刀具要低50～80℃，而回火溫度往往又高于刀具的常規(guī)回火溫度，筆者在實(shí)踐中摸索出W18Cr4V、M2鋼淬火溫度與硬度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式[3]，即

t(W18）——W18Cr4V鋼淬火溫度（℃）；

t(M2）——M2鋼淬火溫度（℃）；

H——要求硬度的平均值（HRC）。

需特別指出的是，第一次回火溫度擬用580～590℃，第二、第三次回火溫度用常規(guī)溫度550℃。

2.5 根據(jù)鋼的成分確定淬火溫度

高速鋼的淬火溫度臨近其熔化溫度，稍不留神就會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)過(guò)熱及過(guò)燒問(wèn)題，因此精準(zhǔn)地確定淬火溫度是十分重要的。確定淬火加熱溫度可以用數(shù)學(xué)模型t＝Tc－K和輔助計(jì)算機(jī)來(lái)完成。其中，Tc為晶界熔化溫度，K為常數(shù)。對(duì)于 W-Mo系高速鋼來(lái)說(shuō)，導(dǎo)出K＝（43±10）℃，為運(yùn)算方便取K＝43℃。

式中t——淬火加熱溫度（℃）；

C——碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）；

W——鎢含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）；

Mo——鉬含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）；

V——釩含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）。

對(duì)于各元素含量，按GB/T 9943 —2008《高速工具鋼》的技術(shù)要求，取成分的中間值計(jì)算，M2鋼最適宜的淬火溫度為1216℃、9341鋼為1213℃、4341鋼為1168 ℃。對(duì)于已知成分而不知熱處理工藝的新牌號(hào)高速鋼，可以按照此法，并結(jié)合爐前試驗(yàn)來(lái)確定其淬火溫度[4]。

2.6 ASTM晶粒度級(jí)別與國(guó)外通用的截?cái)?shù)法互換公式

高速鋼淬火后的正常組織為馬氏體（M）＋殘留奧氏體（rR）＋碳化物（K）。馬氏體為隱針，侵蝕后呈白色，很難觀察到針的輪廓，rR侵蝕后也為白色，無(wú)法與M相區(qū)別，淬火后顯微鏡下只能看到奧氏體的晶粒大小與碳化物。歷次修訂的JB/T 9986—2013《工具熱處理金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)高速鋼刀具淬火晶粒度作了具體規(guī)定。ASTM（美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)）晶粒度級(jí)別與國(guó)外通用的截?cái)?shù)法見(jiàn)式（11），對(duì)應(yīng)曲線如圖1所示。

圖1 ASTM晶粒度與Snyder-Graff晶粒度的對(duì)應(yīng)曲線

式中G——ASTM晶粒度；

S-G——Snyder Graff晶粒度。

3 硬度的換算關(guān)系

與高速鋼熱處理有關(guān)的硬度表示有洛氏硬度、維氏印度、布氏硬度和肖氏硬度等，國(guó)際交流多以HV表述，工廠最適用的是HRC。

3.1 洛氏硬度和維氏硬度的換算

洛氏硬度和維氏硬度的換算式為

將式（12）修正后獲得式（13）、式（14），即

也有人通過(guò)驗(yàn)證，得到

式（15）與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)換算式對(duì)照，其誤差僅為±0.1HRC。另外，還有人得出下列關(guān)系式，即

3.2 洛氏硬度與布氏硬度的換算

洛氏硬度與布氏硬度的換算式為

3.3 洛氏硬度和肖氏硬度的換算

肖氏硬度又稱回跳硬度，已列入GB/T 4341.1—2014《金屬材料 肖氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》。由于肖氏硬度計(jì)具有便于攜帶、操作方便、測(cè)試迅速、壓痕淺而小等特點(diǎn)，因而適用于冶金、重型機(jī)械行業(yè)，以及長(zhǎng)而大的工件、原材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

洛氏硬度和肖氏硬度的換算式為

在德國(guó)、日本生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)看到高硬度的機(jī)械刀片硬度標(biāo)識(shí)也為肖氏硬度，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量也是用肖氏硬度計(jì)，不許用HRC標(biāo)測(cè)，以防將刀片打裂。

4 強(qiáng)度和硬度換算的經(jīng)驗(yàn)公式

抗拉強(qiáng)度和硬度換算的經(jīng)驗(yàn)公式為

對(duì)應(yīng)式（20），可精確地?fù)Q算成下式，即

5 感應(yīng)加熱電流透入深度和頻率的關(guān)系

感應(yīng)加熱時(shí)，電流透入深度和頻率的關(guān)系為

式中d——電流透入深度（mm）；

ρ——材料的電阻率（Ω?cm）；

f——電流頻率（Hz）；

μ——材料的相對(duì)磁導(dǎo)率，當(dāng)鋼加熱到居里點(diǎn)以上時(shí)，μ＝1。

安徽嘉龍公司從2016年開(kāi)始對(duì)高速鋼機(jī)械刀片進(jìn)行感應(yīng)淬火，試驗(yàn)成功后應(yīng)用多年，質(zhì)量穩(wěn)定。

6 結(jié)束語(yǔ)

高速鋼理論深?yuàn)W，但現(xiàn)場(chǎng)熱處理并不復(fù)雜，而經(jīng)驗(yàn)公式十分寶貴，很能解決實(shí)際問(wèn)題，收到妙手回春的效果。